【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及穩(wěn)定同位素技術(shù)及飲用水和環(huán)保水處理領(lǐng)域，具體涉及一種以大麥為載體用生物技術(shù)富集與分離的低氘水。

背景技術(shù)：

低氘水也稱超輕水和貧氘水。低氘水是一種穩(wěn)定同位素產(chǎn)品，低氘水應(yīng)用技術(shù)研究近年來獲得較大進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，低氘水具有活化免疫細(xì)胞、改善機體基礎(chǔ)代謝水平、抗細(xì)胞突變和延緩衰老等功能，有利于生命體的生長和繁衍，拓展了低氘水的用途。

“縱觀國內(nèi)外的研究報道，低氘水主要以水為原料，采取分離方法制備而得。低氘水的分離原理雖然簡單，但由于天然水中氘同位素豐度極少且氫同位素的分離系數(shù)小，因此分離氘是很困難的，力求尋找能耗低、投資少、經(jīng)濟上適合工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)方法是研究重點。就分離方法而論，低氘水的分離方法有化學(xué)交換法、蒸餾法、電解法、熱擴散法、膜擴散吸附法、離心法、激光法等方法以及上述幾種方法的組合，但作為工業(yè)化生產(chǎn)的方法主要推薦化學(xué)交換法和蒸餾法”①。

化學(xué)交換法如：水/氫雙溫交換法分離氫同位素是基于氫同位素在各反應(yīng)分子間平衡分布不是等幾率的，交換反應(yīng)的分離系數(shù)a0隨溫度變化而變化，溫度越高，a0越趨于1。在冷塔內(nèi)氘自氣相向液相中富集，因溫度升高后a0減小，所以在熱塔中將發(fā)生相反的傳質(zhì)過程，即氘又從液相轉(zhuǎn)入氣相內(nèi)。這樣利用低溫主塔即冷塔進(jìn)行富集，用高溫輔助塔即熱塔實現(xiàn)相轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到水被貧化形成低氘水。但水/氫雙溫交換法實現(xiàn)低氘水工業(yè)化的最大障礙和缺點是交換過程必須使用催化劑。

蒸餾法如：高塔分層蒸餾法即水蒸餾法是基于氫或含氫化合物的兩種組成(如h2o和d2o)的不同揮發(fā)性，同位素分離發(fā)生在氣、液兩相共存期間。蒸餾過程一般是在裝有若干塔板或填料的蒸餾塔內(nèi)進(jìn)行，每一塊塔板或一個傳質(zhì)單元形成一個逆流循環(huán)的矩形級聯(lián)，液相和氣相在塔內(nèi)逆流流動，蒸汽在上升過程中逐漸富集了揮發(fā)較高的組分，如h2o。液體在逐級溢流到塔底的過程中，富集了揮發(fā)性較低的組分，如dho和d2o。塔頂有冷凝器使蒸汽凝結(jié)后回流塔內(nèi)，塔底有蒸餾釜將一部分液體蒸發(fā)以提供上升氣流。水蒸餾法優(yōu)點是不需要使用催化劑、化學(xué)試劑，生產(chǎn)工藝簡單、成熟。其缺點是由于水的兩種組分的揮發(fā)性差別很小，水蒸餾法的分離系數(shù)很小，約1.031.06，因此，需要串聯(lián)很多分離級，故設(shè)備高大、復(fù)雜，建設(shè)投資大。蒸餾時，在塔釜要消耗大量熱能使水轉(zhuǎn)變成蒸汽，在塔頂又要消耗大量冷卻水使蒸汽再冷凝成水，水氣的回流需要各分離級之間的流量要比凈供料量大許多倍，因此，生產(chǎn)過程中需要處理的水量非常大，能源消耗大，運行費用高。

自2000年以來，中國以低氘水、超輕水和貧氘水制備方法公告的發(fā)明專利就有幾十個，而比較有代表性的低氘水(超輕水)品牌有：大連世紀(jì)新源技術(shù)開發(fā)有限公司的云端飄雪超輕水②；江蘇奧特泉超輕水飲料有限公司的華福天下低氘水、奧特泉超輕水③；河南無極生物工程技術(shù)有限公司的康澤泉低氘水④；上海上善若水生物工程有限公司的頤道源超輕水⑤。從這幾個品牌效應(yīng)最大的低氘水制備技術(shù)和專利看，盡管他們在低氘水分離技術(shù)上都采取了更為先進(jìn)的方法，但無一例外都是以水為主要原料，在傳統(tǒng)重水分離技術(shù)基礎(chǔ)上，采用化學(xué)交換法和蒸餾法制備低氘水。

其實，在眾多重水分離方法中，有一種方法雖然也被記載，但一直未被應(yīng)用，這就是“生物法”?！吧飳W(xué)同位素效應(yīng)”理論是美國科學(xué)家路易斯等科學(xué)巨人20世紀(jì)30年代針對重水濃集研究在實驗室做出的：“大麥粒在發(fā)芽時優(yōu)先吸收輕水，剩液中富集了重水；鋰被酵母吸收后，也可以富集鋰6。以上均表明發(fā)生了同位素的生物學(xué)分離”⑥。上世紀(jì)60年代曾有人以《重水與啤酒》為題，這樣形象刻畫“生物學(xué)同位素效應(yīng)”原理：“在生物中有些生物能夠有選擇地吸收同一元素的不同的同位素。瑞典科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，自然界中有種微型的分離同位素氫的“工廠”，這就是大麥粒。它只吸收普通的水，而不吸收重水。正因為這樣，麥粒制啤酒的水，其中重水濃度大大增加。這個實驗已經(jīng)做過，這一不可理解的生物分離同位素的現(xiàn)象，還沒獲得實際應(yīng)用”。八十多年來，國內(nèi)外關(guān)于利用大麥生物法分離重水的學(xué)術(shù)文章并不多，無非是在談及大麥的綜合利用時附帶一筆：“在化工上，大麥可以提取超氧化物岐化酶和重水⑦”。

盡管大麥分離重水技術(shù)未被應(yīng)用，但重水分離的“生物學(xué)同位素效應(yīng)”卻無時不刻被世人消費著。以麥芽生產(chǎn)為例，大麥從精選、浸麥、發(fā)芽以及緑麥芽的生成，如果站在穩(wěn)定同位素生物分離技術(shù)領(lǐng)域，這是一個不折不扣的“大麥粒發(fā)芽時優(yōu)先吸收輕水”的生物富集過程。但站在麥芽生產(chǎn)企業(yè)的角度，或因設(shè)備投資和成本；或因最佳干燥工藝的選擇，只能把緑麥芽體內(nèi)富集的氫同位素(低氘水)，用干燥方法脫水分離成凝結(jié)水后，白白排放掉。以青島啤酒麥芽平度分廠為例：其干燥工序的主要設(shè)備是一臺水平式三層干燥爐，由一樓加熱室四組十六片sr×10型散熱器產(chǎn)生的熱空氣經(jīng)混合室混合后依次烘干三格、二格、一格的麥芽。一個生產(chǎn)單元日投料量40頓大麥，每天烘干麥芽約33頓，每天約有35——60頓麥芽干燥凝結(jié)水形成……。這些凝結(jié)水除少部分蒸汽凝結(jié)水在冬季用于車間取暖外，大部分凝結(jié)水被白白排放掉”⑧。穩(wěn)定同位素生物分離技術(shù)與水平式三層干燥爐分離技術(shù)從表面看，是截然不同兩種跨界技術(shù)，當(dāng)因需要把這兩種跨界技術(shù)融合在一起時，會發(fā)現(xiàn)造成綠麥芽干燥凝結(jié)水棄之不用的原因，就在于綠麥芽干燥初段所采取的低溫、大風(fēng)量排潮工藝。低溫、大風(fēng)量風(fēng)干緑麥芽時，能隨機帶入大量的自然空氣，這些自然空氣都含有少量水分，這少量水分中也含有同自然水一樣的氘豐度(145ppm——150ppm)。當(dāng)這些自然空氣中的少量水分同緑麥芽干燥產(chǎn)生的水汽交融在一起時，勢必導(dǎo)致綠麥芽干燥凝結(jié)水的氘豐度增加。從大連某麥芽廠兩次取樣檢驗看：2016年3月17日第一次麥芽干燥凝結(jié)水取樣，在大連世紀(jì)新源技術(shù)開發(fā)有限公司做的檢驗，氘豐度146ppm⑨；2016年4月11日第二次麥芽干燥凝結(jié)水取樣，在北京北達(dá)燕園微構(gòu)分析測試中心有限公司做的檢驗，氘豐度154.39ppm⑩。所以說綠麥芽干燥的低溫、大風(fēng)量排潮工藝，是造成綠麥芽干燥凝結(jié)水氘豐度增高以致被棄之不用的主要原因。2016年中國啤酒行業(yè)累計產(chǎn)量4506.4萬頓，按干麥芽與水1；5計算，當(dāng)年干麥芽使用量900萬噸；若再按干麥芽與凝結(jié)水1∶1比例計算，全國啤酒麥芽企業(yè)每年排放掉地綠麥芽烘干凝結(jié)水約1000萬噸左右。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)今低氘水的技術(shù)不足，針對綠麥芽干燥凝結(jié)水白白排放的問題，本發(fā)明根據(jù)“生物學(xué)同位素效應(yīng)”原理，提供“一種以大麥為載體用生物技術(shù)富集與分離的低氘水”。與現(xiàn)有技術(shù)以水做主要原料不同，本發(fā)明首次以禾本植物大麥作為低氘水生產(chǎn)的主要原料。大麥有選擇性吸收和自然生物富集低氘水的特性，基于這種特性，本發(fā)明以大麥作為穩(wěn)定同位素分離的載體，采用生物技術(shù)富集與分離氫同位素(低氘水)，本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

(1)低氘水原料：大麥

(2)低氘水生物富集：讓大麥通過精選、浸麥和發(fā)芽等工藝流程，生物轉(zhuǎn)化成體內(nèi)富集43％——47％低氘游離水的緑麥芽；

(3)低氘水分離：采取真空干燥技術(shù)，將富集在緑麥芽體內(nèi)38％——42％的低氘游離水分離和提取。

(4)低氘水凈化處理。采取反滲透水處理技術(shù)，將低氘游離水凈化提純，得到氘豐度為125ppm以下的成品低氘水。

本發(fā)明的有益效果是：綜合生產(chǎn)成本低；能源消耗少；節(jié)省水資源；環(huán)境污染?。荒転樯鐣腿藗兲峁┮环N綠色生態(tài)飲用水。“一種以大麥為載體用生物技術(shù)富集與分離的低氘水”除了可應(yīng)用于普通飲用水領(lǐng)域外，也可應(yīng)用于低氘水啤酒、低氘水白酒、低氘水威士忌、低氘水白蘭地、低氘水米酒、富硒低氘水、低氘水飲料、低氘水食品、低氘水生理鹽溶液、低氘水藥用溶劑、低氘水化妝品等諸多生產(chǎn)領(lǐng)域。

【附圖說明】

下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

附圖為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中：①大麥精選；②浸麥槽；③發(fā)芽箱；④緑麥芽；⑤真空干燥系統(tǒng)；⑥冷凝系統(tǒng)；⑦低氘生物游離水儲罐⑧低氘水凈化系統(tǒng)；⑨成品低氘水儲罐；⑩成品低氘水包裝系統(tǒng)。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明：主原料大麥進(jìn)入→①大麥精選，在大麥精選工序去除秸稈和沙石等雜物后，進(jìn)入→②浸麥槽，在浸麥工序，先用水洗滌去除大麥粒浮沉、灰分和微生物，后三浸三斷浸麥，待浸麥度達(dá)到43％-47％時，進(jìn)入→③發(fā)芽箱，在發(fā)芽工序，吸足水的大麥粒通過淋水、控溫、通風(fēng)和增氧等技術(shù)手段，最終生物轉(zhuǎn)化成體內(nèi)富集低氘水的④綠麥芽。生成的緑麥芽再通過傳送設(shè)備進(jìn)入→⑤真空干燥系統(tǒng)，在真空干燥工序，烘焙綠麥芽時分離的水氣經(jīng)過干法和濕法過濾后，通過管路流入→⑥冷凝系統(tǒng)，冷凝系統(tǒng)把真空干燥緑麥芽時分離的水汽冷凝成水，再通過管路流入→⑦低氘生物游離水儲罐，儲罐里的低氘生物游離水再通過管路流入→⑧低氘水凈化系統(tǒng)，在低氘水凈化系統(tǒng)，低氘生物游離水得到充分凈化水處理，生成可飲用的成品低氘水，然后通過管路流入→⑨成品低氘水儲罐，儲罐里的成品低氘水可根據(jù)生產(chǎn)安排，再通過管路流入→⑩成品低氘水包裝系統(tǒng)，低氘水包裝成品待售(真空干燥系統(tǒng)至成品低氘水包裝系統(tǒng)的所有設(shè)備及管路均采用304不銹鋼設(shè)計)。

本發(fā)明不局限于上述最佳實施方式，任何人都可利用現(xiàn)有傳統(tǒng)麥芽生產(chǎn)工藝，得出其他各種形式的產(chǎn)品，但不論在其形狀或結(jié)構(gòu)上作任何變化，凡是在低氘水生產(chǎn)上，以大麥或小麥為載體，采取生物富集與分離技術(shù)，作出與本發(fā)明相同或相近似的產(chǎn)品和技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

文獻(xiàn)引證資料：

①《化學(xué)世界》2009年第12期第748頁《低氘水的制備與應(yīng)用》作者：張麗雅；孔卓；陳大昌；

②大連世紀(jì)新源技術(shù)開發(fā)有限公司；發(fā)明人：徐經(jīng)宇的“一種制取貧氘水的生產(chǎn)方法”；ipc分類號：c01b5/00；公開(公告)號：cn101985349b。

③江蘇奧特泉超輕水飲料有限公司；發(fā)明人：余兆鈞；徐志宏的“同位素精餾制備超輕水的方法”；ipc分類號：c01b5/00；公開(公告)號：cn101624179a。

④河南無極生物工程技術(shù)有限公司；發(fā)明人：劉宏建；謝睿新；劉洪成；楊雅珺的“一種生產(chǎn)低氘水的方法”；ipc分類號：b01d59/00；公開(公告)號：cn106422774a；

⑤上海上善若水生物工程有限公司；發(fā)明人：史育才；史爾勇；朱均裕；侯惠奇；何堅；卓越；郭瑜的“一種飲用超輕水的生產(chǎn)裝置和方法”；ipc分類號：c02f9/04；c02f1/78；c02f1/28；c02f1/68；c02f1/52；公開(公告)號：cn100532297c。

⑥《穩(wěn)定同位素化學(xué)》第十七卷作者：郭正誼；第40章第6節(jié)第6.7小節(jié)《生物學(xué)同位素效應(yīng)》第219頁——222頁

⑦《大麥的利用現(xiàn)狀及前景探討》作者：浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院陳明賢；張國平《大麥谷類科學(xué)》雜志2010年3月刊第11頁-14頁

⑧《變“廢”為“寶”，蒸汽凝結(jié)水重復(fù)再利用》《啤酒科技》2004年第5期|任澤明李志照張雯青島啤酒麥芽廠平度分廠

附件：

⑨大連世紀(jì)新源技術(shù)開發(fā)有限公司《水樣分析檢驗報告單》

⑩北京北達(dá)燕園微構(gòu)分析測試中心有限公司《檢測報告》